暗花立式刻繪機改進設計研究

聶小春，卜福財，高 琴

（1.廣州工程技術職業學院機電工程學院，廣州 510925；2.佛山市皇派門業有限公司，廣東 佛山 528100；3.北京科技大學高等工程師學院，北京 100089）

在一家公司指導學生實訓時，有學生在暗花刻繪崗位上實習，通過操作暗花刻繪設備刻繪時發現有精度方面的誤差，需要對其結構進行改善。本文對該公司的立式暗花刻繪機現行結構進行分析，提出改進設計方案使設備工作安全穩定并且可靠，暗花的刻繪精度得到大大提高。暗花立式刻繪機廣泛應用在各種玻璃圖案工藝品的制作上。

1 暗花立式刻繪機現狀

暗花立式刻繪機是在貼了膠紙的玻璃上刻繪各種各樣的圖案的設備，主要由進給裝置1、刻繪裝置2、控制裝置3 和刻繪機本體等部分組成，其結構組成如圖1 所示。

圖1 暗花立式刻繪機

該暗花立式刻繪機工作原理如下：人工將貼了膠紙的玻璃板放至刻繪機的平臺上，然后控制系統對進給裝置1 進行自動化控制，進給裝置1 帶動刻繪裝置2 按照編好的刻繪程序進行暗花的刻繪。此刻繪機刻繪的精度受控制系統和本身的機械精度影響，本文只研究本身的機械精度影響。

2 改進方案設計

2.1 進給動力傳輸機構改進設計

現行刻繪機的進給傳動裝置的動力是由進給電機帶動同步帶來傳動的，如圖2 所示。雖然同步帶具有傳動平穩、傳動比準確、結構緊湊等優點，但其對安裝時的中心距要求等方面極其嚴格，制造工藝復雜導致制造成本高。且由于本刻繪機行程范圍大，所選同步帶較長，同步帶材料有彈性等，在生產中會出現同步帶的齒無法精密地和帶輪嚙合，經常出現卡死和亂步現象，導致刻繪出來的暗花圖案偏移或少刻。為了避免此種現象，將進給傳動裝置改為齒輪齒條傳動機構，如圖3 所示。齒輪齒條機構剛度好，傳動精度高，刻繪時不會錯步，能夠很好地解決暗花圖案刻偏或刻少的問題。

圖2 暗花立式刻繪機的進給動力傳輸裝置

圖3 齒輪齒條傳動機構示意圖

2.2 進給機構導軌排列方式改進設計

此刻繪機進給機構的導向采用的是雙導軌結構，雙導軌可以保證裝置的準確定位以實現運動軌跡的精確控制。現刻繪機的雙導軌排列如圖4 所示，其導軌1 和導軌2 為相互垂直排列方式，對導軌本身的精度及安裝精度要求很高[1]。導軌的安裝精度直接影響著刻繪機的運行精度，從而影響到刻繪暗花圖案的精度[2]。因此本文將其改進設計為同向排列安裝方式，如圖5 所示。

圖4 垂直排列的導軌

圖5 同向排列導軌示意圖

2.3 刻繪裝置改進設計

如圖6 所示，該刻繪裝置的螺母絲杠副為單端固定支撐，這種結構簡單，安裝較為方便，但當絲杠受力時易傾斜，導致刻繪機無法準確刻繪，使得暗花的刻繪精度存在誤差。由此將其改進為兩端固定支撐，如圖7 所示，此支撐結構比單端固定支撐方式的軸向剛度高[3]。

圖6 單端固定支撐

圖7 兩端固定支撐示意圖

3 刻繪裝置滾珠絲杠副選型計算

根據暗花立式刻繪機的實際使用情況，為了提高暗花刻繪的精度，其刻繪裝置的傳動方式選擇滾珠絲杠副。

3.1 滾珠絲杠副的導程計算

按照企業的實際生產情況及需求，控制電機選用了86YG350BL-SAKSML-0601 型號，此電機最高轉速為1500r/min。需刻繪裝置絲杠最大進給速度為5m/min，電機與絲杠副的絲杠通過聯軸器連接，傳動比取i=0.99。絲杠導程為

實際取Ph=4 mm，可滿足設計要求。

3.2 滾珠絲杠副的載荷及轉速計算

滾動導軌承重時的滑動摩擦系數最大為0.004，靜摩擦系數與滑動摩擦系數差別不大，此處計算取靜摩擦系數為0.006。則導軌靜摩擦力為

式中：m為工件及工作臺質量，經計算約為20 kg；f為導軌滑塊密封阻力，按4 個滑塊，每個滑塊密封阻力1 N。

暗花立式刻繪機主要是在封了膠紙的玻璃上刻繪各種形狀的圖案，絲杠工作時受到的切削力可忽略不計，其阻力主要是自身刻繪機構的重量及導軌滑塊的摩擦力。

可計算滾珠絲杠副的工作載荷為[4]

式中：G為移動部件重量，經計算約為196 N。

滾珠絲杠副的當量載荷為

滾珠絲杠副的當量轉速為

3.3 滾珠絲桿副額定動載荷計算

本文根據預期工作時間來計算額定動載荷[5]

式中：Lh為預期工作時間，此處取20 000 h；fw為負荷系數，平穩無沖擊為1；fa為精度系數，2 級精度為1；fc為可靠性系數，一般為1。

3.4 滾珠絲杠副的基本參數

根據以上計算出的絲杠導程和動載荷，查《機械設計手冊（第六版）》表13-1-33 選用2004-3 型滾珠絲桿副，其為內循環固定反向器雙螺母墊片預緊式滾珠絲杠副，其技術規格參數見表1。

3.5 滾珠絲杠副臨界轉速的驗算

絲杠可能會發生共振，這時需要驗算其臨界轉速nc，根據《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（16）得

式中：f為支承系數，因兩端固定，取21.9；d2為絲杠底徑；絲杠的支撐一端為深溝球軸承，一端為背對背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距L=300 mm，絲杠的有效行程取150 mm，經計算可得Lc2為225 mm。合格。

3.6 滾珠絲杠副穩定性的驗算

根據《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（17）得

式中：K1為安全系數，絲杠水平安裝取1/3；K2為支承系數，兩端固定取4；Lc1=Lc2=225 mm。

由此可見不會失穩，滿足設計要求。

3.7 滾珠絲杠副剛度的校驗

1）滾珠絲杠副的拉壓剛度是隨螺母在絲杠上的位置變化而變化的，最大值在端部（螺母至固定支承距離最大時，即a=75 mm 處），而螺母處于2 支承點中部（即a=150 mm）時剛度最小。由《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（21′）得

2）支承軸承的組合剛度：由軸承樣本dw=2.381 mm，軸承滾動體個數=26 個，由軸承接觸角β＝45°等資料得RB0=90.18 N/μm。由《機械設計手冊（第六版）》表13-1-49，對兩端固定并預緊的軸承Rb=2RB0=2×90.18=180.36 N/μm。

3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度按《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（22′）得

4）由《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（20）可得R的最大與最小值為

5）傳動系統的最小剛度（空載運轉時）為

式中：重復定位精度即反向差值，為10 μm。

Rmin=97.28＞0.83 N/μm，滿足重復定位要求。

根據以上驗算可知，選用2004-3 型的滾珠絲杠副，符合設計的要求。

4 結束語

根據市場實際需求和現有暗花立式刻繪機的不足，改進設計了一種結構更合理的新型暗花立式刻繪機，對該設備進給裝置的動力傳動機構和刻繪裝置的傳動機構進行了改進設計，對刻繪裝置的傳動機構滾珠絲桿副進行了選型及驗算，大大提高了暗花刻繪的精度和生產效率。該設計已得到了公司的認可。